专利名称：全塑料光纤无线广播通信系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及无线广播通信的技术领域，特别涉及一种成本低廉的全塑料光纤无线广播通信系统。
背景技术：
随着社会发展和技术进步，公众对信息的广播和交互有着越来越迫切和强烈的诉求，希望随时随地都能进行沟通和分享。因此，下一代的无线广播通信技术将会被迫适应迅速膨胀的数据流量，提供无处不在的高质量接入服务。而目前广电/电信运营商已很难跟上这种趋势，以较低代价完成偏远或者复杂环境的无线覆盖。随着技术的进步，低成本光纤 传输方式和高成本无线传输方式的结合将成为新的趋势。光纤无线广播通信系统作为这种结合的典型代表，是缓解此矛盾最有前景的解决方案之一。光纤无线广播通系统包含中心路由站、光纤链路、远端天线单元等几个部分。传统的低成本系统通常会使用马赫增德尔(Mach-Zehnder)调制器进行信号调制，利用标准的Single Mode Fibre (SMF-28)类型单模光纤和相应波长的分布式反馈激光器(DistributedFeed-Back Laser, DFB激光器)及普通的光电二极管(PIN Photodiode)分别作为传输介质、发射装置和接收装置，并在链路沿途设置光放大器。这样做使得系统组件的昂贵开销极大地抵消了光纤无线广播通信系统低成本的设计出发点和产品特性。并且光放大器的设置增加了产品复杂度，很大程度地提高了能耗，也降低了系统整体寿命。此外，SMF-28标准光纤的熔接、铺设均需要专业的设备和技术人员，十分不便。而其所用的光传输波段为不可见光，当激光器发射功率较大时，会对视网膜产生永久性伤害。光纤本身亦有潜在危险，容易穿透皮肤进入人体且很难分辨取出，需要在操作时做相应防护措施。因此，作为商业解决方案，需要专门的队伍进行施工和维护，用户自行排障几乎不可能，系统拥有和运维的综合成本较高。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种不使用光放大器的简单安全高效的全塑料光纤无线广播通信系统。为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种全塑料光纤无线广播通信系统，包括中心路由站、一个或多个远端天线单元，所述中心路由站与远端天线单元之间包括塑料无源分光器，所述中心路由站通过塑料光纤与塑料无源分光器的一端连接，所述一个或多个远端天线单元通过塑料光纤与塑料无源分光器的另一端连接。优选的，所述中心路由站包括信号发射端和信号接收端，所述信号发射端包括用于产生符合标准无线广播通信信号或转发上一级链路信号的信号发射器，用于耦合偏置电压和调制信号的第一偏置T接头(Bias-τ),用于产生多模光载波的第一垂直腔面发射激光器；以及为第一垂直腔面发射激光器提供偏置电压的第一偏置电压源，所述信号发射器连接第一偏置T接头的交流端；第一垂直腔面发射激光器连接第一偏置T接头的混合端；第一偏置电压源与第一偏置T接头的直流端连接；所述信号接收端包括用于接收并转换光信号的第二雪崩光电接收器，用于分离偏置电压和提取调制信号的第四偏置T接头，用于放大调制信号的电放大器，用于对链路进行效果评估的信号分析仪，以及为第二雪崩光电接收器提供偏置电压的第四偏置电压源；所述第二雪崩光电接收器连接第四偏置T接头的混合端，电放大器一端连接第四偏置T接头的交流端，另一端连接信号分析仪，第四偏置电压源连接第四偏置T接头的直流端。优选的，所述一个或多个远端天线单元包括第一雪崩光电接收器、第二偏置T接头、第二偏置电压源、电放大器、环行器、天线、第二垂直腔面发射激光器、第三偏置T接头、第三偏置电压源，所述第二偏置电压源与第二偏置T接头的直流端连接，第一雪崩光电接收器与第二偏置T接头的混合端链接，第二偏置T接头的交流端与电放大器连接。优选的，所述环行器有三个端口，第一端口连接电放大器，第二端口连接天线，第三端口连接第三偏置T接头的交流端，所述第三偏置T接头的直流端连接有第三偏置电压 源，第三偏置T接头的混合端与第二垂直腔面发射激光器连接。优选的，所述中心路由站和一个或多个远端天线单元中还包括用于聚焦光线到雪崩光电接收器接收界面的光学透镜组，所述光学透镜组包括两枚前后平行设置的凸透镜，所述光学透镜组分别设置在第一雪崩光电接收器和第二雪崩光电接收器的接收界面前。优选的，所述第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器为波长为600nm-700nm的垂直腔面发射激光器；所述第一雪崩光电接收器和第二雪崩光电接收器为相同波长的全娃材质雪崩光电接收器。优选的，所述塑料光纤为无氟塑料光纤。本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果I、本实用新型利用光纤的高带宽特性和对通信协议的透明性，使系统拥有极高的数据吞吐能力并可兼容不同的广播通信协议。2、本实用新型采用运行于可见光波段的光电器件和安全可自操作的塑料器件，使系统的安全性及可维护性大大增强。3、本实用新型利用整体构架的简单方便和各组件的低价特性，使系统的整体成本大幅度降低。4、本实用新型相对于采用传统电缆的广播通信系统，还具有传输距离长、重量轻、安装简单、升级容易、电磁辐射小、安全保密性好等优势。5、本实用新型专利采用红光波段的垂直腔面发射激光器，和相同波段的雪崩光电接收器作为对应的光接受机，通过利用塑料光纤和塑料无源分光器件的光传输窗口以及雪崩光接收器的放大效应，克服了塑料介质大损耗、大色散的缺点，实现了短距离、高质量的射频信号直接传输。6、本实用新型很大程度地简化了系统构架，以雪崩光电接收器的放大效应做增益补偿，取消了光纤链路中常见的光放大器，并通过采用低成本的激光器、光接收机和传输介质，大幅降低了产品的整体成本，提高了设备利用效率。本实用新型简单安全高效，可作为低成本商用设备，广泛用于机场、商场、写字楼、居民区等复杂区域的信号覆盖。
图I为本实用新型全塑料光纤无线广播通信系统的整体结构图；图2为本实用新型传输链路示意图；图3为本实用新型截面方向光耦合宽容度的示意图；图4为本实用新型以向量偏差值来表示的性能示意图；图5为本实用新型数据链路吞吐量性能示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。实施例本实施例的结构示意图如图I所示，系统分为中心路由站(简称中心站)和远端天线单元(简称天线单元)两大部分。中心站和一个或多个天线单元之间通过塑料光纤和塑料无源分光器进行连接。连接可以使用包含树型和星型在内的多种拓扑结构。上下行链路的通信原理和结构一致。其中，中心站提供集中信号处理服务，并负责与上一级链路的信号源进行连接通讯。如图2所示，所述中心路由站包括信号发射端(在实验中以用可产生IEEE标准无线电信号的信号发生器代替演示)，和信号接收端(在实验中用可接收和分析调制信号的信号分析仪代替演示)；所述信号发射端包括用于产生符合标准无线广播通信信号或转发上一级链路信号的信号发射器，用于耦合偏置电压和调制信号的第一偏置T接头，用于产生多模光载波的第一垂直腔面发射激光器，以及为第一垂直腔面发射激光器提供偏置电压的第一偏置电压源；所述信号发射器连接第一偏置T接头的交流端；第一垂直腔面发射激光器连接第一偏置T接头的混合端，第一偏置电压源与第一偏置T接头的直流端连接；所述信号接收端包括用于接收并转换光信号的第二雪崩光电接收器，用于分离偏置电压和提取调制信号的第四偏置T接头，用于放大调制信号的电放大器，用于对链路进行效果评估的信号分析仪，以及为第二雪崩光电接收器提供偏置电压的第四偏置电压源；所述第二雪崩光电接收器连接第四偏置T接头的混合端，电放大器一端连接第四偏置T接头的交流端，另一端连接信号分析仪，第四偏置电压源连接第四偏置T接头的直流端。所述一个或多个远端天线单元包括第一雪崩光电接收器、第二偏置T接头、第二偏置电压源、电放大器、环行器、天线、第二垂直腔面发射激光器、第三偏置T接头以及第三偏置电压源，所述第二偏置电压源与第二偏置T接头的直流端连接，第一雪崩光电接收器与第二偏置T接头的混合端链接，第二偏置T接头的交流端与电放大器连接；所述环行器有三个端口，第一端口连接电放大器，第二端口连接天线，第三端口连接第三偏置T接头的交流端。所述中心路由站的信号接收端和远端天线单元接收端还包括用于聚焦光线到雪崩光电接收器接收界面的光学透镜组，所述光学透镜组包括两枚前后平行设置的凸透镜，放置在第一雪崩光电接收器和第二雪崩光电接收器的接收界面前。为了取得更好的效果，本实施例中塑料光纤可以选取无氟塑料光纤。所述第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器采用波长为600nm-700nm的垂直腔面发射激光器，所述第一雪崩光电接收器和第二雪崩光电接收器为相同波长的全硅材质雪崩光电接收器，其目的是为了配合塑料光纤及塑料无源分光器的光传输窗口，将系统损耗降低到可接受的范围。对于简单的单向广播系统，图2的下行单向链路即可完成所有功能。而对于双向的通信系统，则需要同时具备上下行链路。对于采用冲突检测或冲突避免规则的常用协议，例如IEEE 802. 11系列无线局域网协议，可适用如图I所示的整体构架。上方虚线框内为中心站，分为信号发射端和接收端，分别对应系统的下行链路和上行链路，上下行链路的工作原理相同。系统通过塑料无源分光器将原始光路分为N路，分别送至各个远端天线单元处。经光电转换后的信号通过环行器输出到天线，发射至自由空间。反向来看，经自由空间返回的信号也通过此天线接收，进入环行器，经光电转换送至上行链路，经分光器合路之后，返回至中心站接收端，组成端到端的双向通信。每一个远端天线单元均包含一对收发组件和一对塑料光纤。本实施例全塑料光纤无线广播通信系统的工作原理为利用垂直腔面发射激光器产生一个多模的、连续的、可见光信号，用一个真实信号源叠加在激光器偏置电压上，对垂直腔面发射激光器的发光强度进行直接调制。当垂直腔面发射激光器偏置电压处于线性区时，能实现最佳的调制质量。系统通过直接光耦合，将出射激光导入塑料光纤进行传输。光纤在链路传输过程中通过塑料无源分光器进行分光，送达到各远端天线单元，实现复杂或偏远区域的信号覆盖。在各处远端天线单元，经过塑料光纤和光学透镜组，将出射光聚焦在雪崩光电接收器(APD)的接收界面上。此时，雪崩光电接收器需要一个经过优化的高偏置电压，以确保它工作于最佳的非线性区。接收器通过器件内在的雪崩效应和光电效应，将接收到的光信号进行有效放大，并同时转化成为电信号。转化后的电信号经电放大器放大后送到信号分析仪进行传输质量验证或通过环行器送至天线进行无线电发射。本实施例利用了塑料器件的可见光传输窗口，兼容不同协议，采用安全的器件提高了系统可维护性；并通过雪崩光电接收器的使用，在不降低系统性能的前提下，免去了传输链路中光放大器的使用；整体系统充分展示了高兼容性、低成本、简单安全高效的优势特点。本实施例全塑料光纤无线广播通信系统的实施方法包括上行链路和下行链路的通信。上行链路和下行链路的组件、原理和实施方法相同，如图2所示，所述下行链路通信的具体步骤如下S11、中心路由站中，由信号发射器产生符合广播通信标准的无线信号或转发上一级链路信号作为调制信号；S12、中心路由站中的第一垂直腔面发射激光器的第一偏置电压经优化，设置于第一垂直腔面发射激光器的线性工作区中间点；S13、中心路由站的第一偏置电压和调制信号经过第一偏置T接头叠加，共同对第一垂直腔面发射激光器进行强度调制；第一垂直腔面发射激光器在此电压的驱动下，发射固定在一个可见光波长的多模连续光载波；S14、经过调制的激光经过直接耦合，垂直入射塑料光纤的端面，其入射位置固定在纤芯中部，经光纤传输后的出射光，直接耦合进塑料无源分光器进行光路拆分，根据业务需要，通常将I路光信号分成2-8路；S15、经过塑料无源分光器分光后的每一路光信号会经由另一段合适长度的塑料光纤的传输后到达给一个或多个远端天线单元，其出射光经过光学透镜组进行聚焦，落在第一雪崩光电接收器的接收平面上；S16、远端天线单元中的第一雪崩光电接收器通过第二偏置电压源被偏置到一个高放大、高非线性区，可将接收到的光信号放大并还原成电信号；S17、远端天线单元中的电信号经过接收器第二偏置T接头过滤掉直流部分，将恢复的调制电信号送至电放大器进行放大，最后通过环行器到达天线，完成下行链路端到端的传输过程；如图2所示，所述上行链路通信包括下述步骤S21、由天线接收自由空间传回的符合频率和协议的无线电信号作为上行链路的调制信号；S22、远端天线单元中的第二垂直腔面发射激光器的偏置电压经优化，设置于第二垂直腔面发射激光器的线性工作区中间点；·S23、远端天线单元中的第三偏置电压和调制信号经过第三偏置T接头叠加，共同对第二垂直腔面发射激光器进行强度调制；第二垂直腔面发射激光器在此电压的驱动下，发射固定在一个波长的多模连续光载波；S24、经过调制的激光经过直接耦合，垂直入射塑料光纤的端面，其入射位置固定在纤芯中部，经短距离光纤传输后的出射光，直接耦合进塑料无源分光器进行光路合并，根据业务需要，将2-8路光信号合并成I路；S25、经过塑料无源分光器合并后的光信号会经由另一段合适长度的塑料光纤的传输后到达中心路由站，其出射光经过光学透镜组进行聚焦，落在第二雪崩光电接收器的接收平面上；S26、中心路由站中的雪崩光电接收器通过第四偏置电压源被偏置到一个高放大、高非线性区，可将接收到的光信号放大并还原成电信号；S27、中心路由站中的电信号经过接收器第四偏置T接头过滤掉直流部分，将恢复的调制电信号送至电放大器放大，到达信号接收端进行信号处理或转发至上一级链路，完成上行链路端到端的传输过程。步骤Sll和S21中，所述调制信号的频率需落在在第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器的OldB带宽之间。步骤S14中，经过分光器分路后的光信号通过级联方式，可进一步细分成多路光信号，分别送至各个远端天线单元；步骤S24中，经过分光器合路后，各远端天线单元送回的光汇聚成I路光信号送至中心路由站。与此同时，由于塑料光纤易操作，孔径大的特性，对系统各部件进行连接(截面方向光耦合)的宽容性也大幅增加。根据IEEE 802. 11系列无线局域网标准，向量偏差值(EVM)小于5. 6%时即可认为最高质量链路，可满足全速传输的要求。根据上述原则，在实验中可获得中心偏移距离和对应向量偏差值的相关参数(具体见图3)。从实验可知，按照最高质量链路的要求，满足EMV〈5. 6%的要求下，其截面连接宽容度可达O. 15mm，是SMF-28光纤对接宽容度O. OOlmm的150倍。这将极大地方便用户的自行维护。同样，经实验验证，根据IEEE 802. 11系列无线局域网标准，塑料光纤系统的性能非常接近于依靠电缆组成的系统，且具有更多优点。如图4所示，曲线A表示电缆链路向量偏差值％，曲线B表示塑料光纤链路向量偏差值％，曲线C表示电缆链路字节瞬时功率dBm，曲线D表示塑料光纤链路字节瞬时功率dBm。从该图展示的向量偏差值和瞬时字节功率与调制功率的关系来看，在一定的调制功率范围内，向量偏差值均可以满足小于5. 6%，即最高质量链路的要求。同时，瞬时字节功率与调制功率也满足线型关系，说明信号的保真程度很高，通信质量优秀。最后，如图5所示，曲线E表示链路数据流量Mbps，曲线F表示为链路信噪比dB，根据图5所展示的数据吞吐量来看，在信道损耗从OdB不断加大至35dB的过程中，链路信噪比逐步下降，但系统的数据吞吐量仍可以保持在20MBps有效负荷的理论最好水平，满足IEEE802. 11系列无线局域网标准的最高标准。以上可见，此系统可以很好的支持目前商用的无线广播通信协议，并可达到优秀的标准。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。·
权利要求1.一种全塑料光纤无线广播通信系统，包括中心路由站、一个或多个远端天线单元，其特征在于，所述中心路由站与远端天线单元之间包括塑料无源分光器，所述中心路由站通过塑料光纤与塑料无源分光器的一端连接，所述一个或多个远端天线单元通过塑料光纤与塑料无源分光器的另一端连接。
2.根据权利要求I所述的全塑料光纤无线广播通信系统，其特征在于，所述中心路由站包括信号发射端和信号接收端，所述信号发射端包括用于产生符合标准无线广播通信信号或转发上一级链路信号的信号发射器，用于耦合偏置电压和调制信号的第一偏置T接头，用于产生多模光载波的第一垂直腔面发射激光器，以及为第一垂直腔面发射激光器提供偏置电压的第一偏置电压源；所述信号发射器连接第一偏置T接头的交流端，第一垂直腔面发射激光器连接第一偏置T接头的混合端，第一偏置电压源与第一偏置T接头的直流端连接；所述信号接收端包括用于接收并转换光信号的第二雪崩光电接收器，用于分离偏置电压和提取调制信号的第四偏置T接头，用于放大调制信号的电放大器，用于对链路进行效果评估的信号分析仪，以及为第二雪崩光电接收器提供偏置电压的第四偏置电压源，所述第二雪崩光电接收器连接第四偏置T接头的混合端，电放大器一端连接第四偏置T接头的交流端，另一端连接信号分析仪，第四偏置电压源连接第四偏置T接头的直流端。
3.根据权利要求I所述的全塑料光纤无线广播通信系统，其特征在于，所述一个或多个远端天线单元包括第一雪崩光电接收器、第二偏置T接头、第二偏置电压源、电放大器、环行器、天线、第二垂直腔面发射激光器、第三偏置T接头以及第三偏置电压源，所述第二偏置电压源与第二偏置T接头的直流端连接，第一雪崩光电接收器与第二偏置T接头的混合端链接，第二偏置T接头的交流端与光电放大器连接。
4.根据权利要求3所述的全塑料光纤无线广播通信系统，其特征在于，所述环行器有三个端口，第一端口连接电放大器，第二端口连接天线，第三端口连接第三偏置T接头的交流端，所述第三偏置T接头的直流端连接有第三偏置电压源，第三偏置T接头的混合端与第二垂直腔面发射激光器连接。
5.根据权利要求2或3所述的全塑料光纤无线广播通信系统，其特征在于，所述中心路由站的信号接收端和一个或多个远端天线单元中还包括用于聚焦光线到雪崩光电接收器接收平面的光学透镜组，所述光学透镜组包括两枚前后平行设置的凸透镜，所述光学透镜组分别设置在第一雪崩光电接收器和第二雪崩光电接收器接收界面前。
6.根据权利要求5所述的全塑料光纤无线广播通信系统，其特征在于，所述第一垂直腔面发射激光器和第二垂直腔面发射激光器为波长为600nm-700nm的垂直腔面发射激光器；所述第一雪崩光电接收器和第二雪崩光电接收器为相同波长的全娃材质雪崩光电接收器。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的全塑料光纤无线广播通信系统，其特征在于，所述塑料光纤为无氟塑料光纤。
专利摘要本实用新型公开了一种全塑料光纤无线广播通信系统，系统包括一个中心路由站、一个或多个远端天线单元，所述中心路由站与远端天线之间包括塑料无源分光器，所述中心路由站通过塑料光纤与无源分光器连接，所述一个或多个远端天线单元之间通过塑料光纤与塑料无源分光器连接。本实用新型采用红光波段的垂直腔面发射激光器，通过利用塑料光纤和塑料无源分光器件的光传输窗口以及雪崩光电接收器的放大效应，克服了介质大损耗、大色散的缺点，实现了短距离、高质量、安全的射频信号传输，并利用光纤对协议的透明性，保障了对不同通信和广播标准的兼容性。另外，本实用新型大幅简化了系统构架，降低了产品的整体成本，提高了设备利用效率。
文档编号H04B10/25GK202679380SQ201220258490
公开日2013年1月16日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者杨帆 申请人:杨帆